正交梁式隧道效应微机械陀螺仪的设计与仿真

　　微机械陀螺仪的测量精度及灵敏度仍然是制约其走向实用化的重要因素. 由于陀螺仪检测角速度的特殊性, 尺寸的减小严重地降低了其工作灵敏度, 从而影响了陀螺的测量精度. 当前, 绝大多数硅微机械陀螺仪采用电容式传感器检测陀螺仪输出信号, 随着陀螺仪表结构尺寸极大缩小, 仪表的灵敏度和分辨率大大降低; 传统电容检测技术的灵敏度和分辨率也大大降低, 达到了检测的极限状态; 检测输出信号的信噪比非常低, 信号检测电路和处理电路极为复杂. 因此, 寻求新的高性能位置传感器与硅微型陀螺仪相结合的方法是研究的方向之一[ 1] . 本文提出了利用电极间的隧道效应敏感陀螺输出位移的微小变化, 并对陀螺仪的结构原理进行了分析. 量子理论中的隧道效应现象已被广泛应用, 如扫描隧道显微镜. 微机械电子隧道式加速度计的研制成功及其所表现出来的优越性能表明隧道效应传感器是一种非常好的位置传感器, 它具有高灵敏度、高分辨率和简单的控制线路等优点. 采用隧道效应传感器的新颖微机械陀螺仪将极大提高陀螺仪检测信号的灵敏度、分辨率和信噪比,该陀螺仪表的研制, 必将进一步提高微机械陀螺仪的性能.

　　1 结构设计

　　1. 1 电子隧道效应[ 2-3, 5]

　　粒子能穿透比其动能更高的势垒的现象, 称为隧道效应. 这是微观粒子具有波动性的表现, 对于宏观物体, 隧道效应在实际上没有任何意义, 量子概念过渡到了经典概念. 根据隧道效应可知, 金属中的电子在表面以外呈指数形式衰减, 衰减长度为1 nm .因此, 只要当检测电极和隧尖之间的距离非常接近时, 其间的势垒很小, 电子可以通过隧道效应由一个电极流向另一个电极, 形成隧道电流, 隧道电流I t的大小是电子波函数的重叠程度的量度, 与隧道电极之间的距离d 以及检测电极表面的平均势垒高度< 有关, 具体表达式为:

　　在标准情况下( 0. 5 eV, 1 nm) 隧道电极间距d变化0. 1 nm 时, 隧道电流I t 变化一个数量级, 由此可以看出隧道传感器的灵敏度非常高, 非常适合在微小结构中使用, 将隧道传感器引入微机械陀螺仪将能提高陀螺仪的检测灵敏度和输出信号信噪比.

　　1. 2 结构选择

　　微机械隧道效应陀螺仪的信号敏感方式采用了电子隧道效应原理, 其结构如图1 和图2 所示, 由框架、驱动梁、连接元件、检测梁、隧尖电极、活动梳齿和固定梳齿组成. 驱动梁和检测梁的轴线重合并相互垂直, 它们由方形连接元件连成一体, 检测梁固定在基座上, 基座可通过弹性支撑元件将整个敏感元件固定在传感器的外框架上, 弹性支撑元件可用高杨氏模量的材料制成, 它和基座一起可以吸收如噪声、重力、加速度和外界振动等干扰, 提高陀螺的信噪比. 这种正交梁式角速率敏感元件充分利用了驱动梁和检测梁在y 轴和z 轴方向上的刚度具有极大的差异这个特点使得驱动振动模式和敏感振动模式有各自独立的振动梁, 互不干扰.